《新能源汽车电力电子技术》教案第12课测试交流调压电路.docx

课题测试交流调压电路课时2课时(90min)教学目标知识目标：(1)了解AC/AC变换电路的分类。(2)熟悉交流调压电路的工作原理。技能目标：能正确测试交流调压电路。素质目标：(1)培养群体意识和合作精神。(2)树立民族自尊心、自豪感和文化自信。(3)养成专注细致的工匠精神,树立职业理想。教学重难点教学重点：AC/AC变换电路的分类，交流调压电路的工作原理教学难点：交流调压电路的工作原理教学方法讲授法、问答法、讨论法、实践教学法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤考勤【教师】使用APP进行签到【学生】班干部报请假人员及原因任务导入【教师】展示“间接直流变换电路的工作流程”图片(详见教材)，讲述“任务导入”的相关内容交流调压电路的作用是将一种形式的交流电变换成另一种同频率、不同电压的交流电，主要应用在灯光控制、异步电机软启动、异步电机调压调速、供电系统对无功功率的连续调节等场合。此外，在大功率直流电源中，也常用交流调压电路调节变压器的一次电压。根据输入、输出相数的不同，交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路。【学生】观看、聆听、理解、记忆传授新知【教师】讲解新知5.1.1 ACA(变换电路的分类根据变换要素的不同，AC/AC变换电路可分为交流电力控制电路和变频电路。1 )交流电力控制电路：只改变电路输出电压的幅值而不改变频率。2)变频电路：将一定频率交流电变换成另一种频率固定或可调交流电。1.交流电力控制电路交流电力控制电路主要包括交流调压电路、交流调功电路和交流电力电子开关三种形式。1)交流调压电路交流调压电路主要有整周波通断控制、相位控制、斩波控制三种控制方式.【教师】展示“交流调压电路在三种控制方式下输出电压的波形”图片(详见教材)，讲解新知(1)整周波通断控制采用晶闸管作为开关器件，将交流调压电路中的负面口电源接通几个周期、再断开几个周期，通过改变通断比来改变电路输出电压的大小。(2)相位控制主要采用晶闸管作为开关器件，在电源电压波形上、下半周的某一相位分别触发相应的晶闸管并使其开通，通过调节控制角的相位来改变负载接通电压的时间，从而达到交流调压的目的。相位控制式交流调压电路的晶闸管可自然换流，不需要附加换流电路，可实现电压的平滑调节，响应速度快。但当控制角过大时，电路的功率因数偏低，电路输出电压的谐波分量较大。【教师】扫码播放“斩控式交流调压电路”微课视频(详见教材)，讲解新知(3)斩波控制主要采用全控型器件作为开关器件，在电源电压的一个周期中令开关器件多次通断，将电路输入的正弦交流电压斩波为若干个脉冲电压，通过改变开关器件的占空比来实现交流调压。与相位控制式交流调压电路相比，斩波控制式交流调压电路的输出波形好、包含的谐波分量小，功率因数较高，输出电压的大小连续可调，且响应速度快，基本克服了相位控制方式的缺点，但电路结构较为复杂。【教师】提出问题，随机邀请学生回答对比三种控制方式的优缺点。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答2)交流调功电路交流调功电路通过控制开关器件导通周期和关断周期的比值来调节输出功率的平均值，从而达到交流调功的目的。该电路控制简单，输出电流的波形为正弦波，无高次谐波，对电加热器等不需要高速控制的大惯性负载调节效果好，适用于各种需要加热或进行温度控制的场合(如金属热处理、化工合成加热、钢化玻璃热处理等),但是交流调功电路的响应速度较慢，会对交流电网造成较大的负载脉动和低次谐波影响。3)交流电力电子开关【教师】播放“无触点开关”微课视频(详见教材)，提出问题，随机邀请学生回答根据视频内容，说说无触点开关的特点和应用前景。【学生】聆听、观看、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知交流电力电子开关是一种新型无触点开关，主要由双向晶闸管构成。具有开关速度快、寿命长、可以频繁控制通断等优点，常被用来控制交流电机的正反转、频繁启动、间歇运行等。在电力系统中，交流电力电子开关的典型应用之一是晶闸管投切电容器(thyristorswitchedcapacitor,TSC).它可以对无功功率进行控制，从而提高电网的功率因数，稳定电网电压，改善供电质量。【教师】讲述"点拨”的相关内容交流调功电路与交流电力电子开关都是采用通断控制，但交流电力电子开关并不控制电路的平均输出功率，通常也没有明确的控制周期，而只是根据需要控制电路的接通和断开。一般情况下，交流电力电子开关的控制频率比交流调功电路的低得多。例如，在工业应用中，电网在进行无功功率补偿时，就是采用交流电力电子开关来控制电容器的投入与切除的，因此对开关器件切换的频率要求不是很高。【学生】聆听、思考、理解、记忆2.变频电路变频电路在改变交流电频率的同时，一般还可同时控制电路的输出电压。变频电路主要应用于变频调速装置、感应加热装置、不间断电源等场合。变频电路主要包括交-交变频电路和交-直-交变频电路两种形式。(I)交-交变频电路是一种将一定频率交流电直接变换成固定或可调频率交流电的变流电路，故也称直接变频电路。交-交变频电路结构较为复杂，电路的效率高，并且可采用晶闸管进行自然换流，功率等级较高，低频输出性能较好，易于实现功率回馈，主要应用于大功率、低转速的交流调速系统。(2)交-直-交变频电路是一种先将一定频率的交流电整流成直流电，再将直流电逆变成固定或可变频率交流电的电路。相较于交-交变频电路，它有中间直流变换环节，因此也称间接变频电路。交-直-交变频电路的结构简单,技术成熟，应用广泛，但电路总效率较低。5.1.2单相交流调压电路单相交流调压电路采用两个反向并联的单向晶闸管或一个双向晶闸管作为开关器件，通过对交流电正、负半周的对称控制，达到调节输出交流电压大小的目的，或实现交流调压电路的通、断控制。1 .带电阻性负载2 )电路的工作原理【教师】展示“带电阻性负载的单相交流调压电路及其工作波形”图片(详见教材)，讲解新知带电阻性负载的单相交流调压电路采用两个反向并联的晶闸管VTkVT2作为交流开关，因此需要两组独立的触发电路分别控制两个晶闸管。电路的具体工作过程如下。(】)在Ul波形的正半周、t=时刻，VT1触发开通，R上有电流io通过。此时Uvti=0,uo=ufu。与i,的波形与Ul波形的正半周相同。(2)-(4)详见教材。【教师】讲述“点拨”的相关内容通过改变控制角的大小可以改变电路输出电压的大小，从而达到调压的目的，但输出电压的非正弦波形也为电路带来了谐波问题。【学生】聆听、思考、理解、记忆2)电路的输出(1)电路输出电压为=-*(2sinor)/ = Uvsin 2a + X - a2x (2)电路输出电流为/=£R(3)晶闸管电流为【教师】讲述“点拨”的相关内容带电阻性负载的单相交流调压电路的移相范围为0。当a=0时，U=U1；当a逐渐增大时，U逐渐减小。对于电路功率因数来说，当a=0时，功率因数入=1；随着a的逐渐增大，i。的波形将滞后于U0的波形并发生畸变，人将逐渐减小。【学生】聆听、思考、理解、记忆3 .带阻感性负叠1)电路的工作原理【教师】展示“带阻感性负载的单相交流调压电路”图片(详见教材)，提出问Sg,随机邀请学生回答带阻感性负载的单相交流调压电路与带阻性负载的单相交流调压电路在电路结构上有哪些区别？【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知带阻感性负载的单相交流调压电路由于L的存在，UI在过零时晶闸管还会继续导通，io的相位滞后于U1的相位，这段相位差称为负载阻抗角，用巾表示。此时晶闸管导通角的大4环仅与控制角有关，还与负载阻抗角有关。【教师】提出问题，随机邀请学生回答参考带阻性负载单相交流调压电路的工作原理，分析带阻感性负载单相交流调压电路的工作原理。【学生】聆听、思考、理解、回答【教师】总结学生回答，展示“带阻感性负载的单相交流调压电路以为变量的和的关系曲线”图片(详见教材)，讲解公式推导过程(详见教材)【学生】聆听、观察、理解、记忆【教师】展示“带阻感性负载的单相交流调压电路的工作波形”图片(详见教材)，分三种情况对其进行分析(1)巾<<(此时从n逐渐减小至巾，逐渐增大并接近于,输出电压U逐渐增大并接近于U1,io的波形断续，UO的波形为"缺块"的正弦波。(2)巾=。此时6=,Uo=Ui,电路处于稳定输出状态，没有调压作用，相当于晶闸管失去控制，Io和Uo的波形.(3)0<<巾。此时>,电路的运行与触发脉冲的状态密切相关。若要电路起到交流调压作用，应满足=nn,因此a的移相范围为巾。【教师】讲述“知识链接一带阻感性负载的交流调压电路不能使用单窄脉冲触发的原因”的相关内容如果电路的触发脉冲是单窄脉冲，VTl在接收到触发脉冲Ugl后开通，但是当VT2的触发脉冲Ug2到来时，VTi的电流还未到零，VT2承受反向电压，因此无法开通。而当VTi的电流过零、VT1关断时，VT2虽然承受正向电压，但触发脉冲Ug2已经消失，因此依旧无法开通。之后的周期会重复上述过程，这样就导致在每个周期内只有一个晶闸管开通的情况，电路输出电流只有正半波部分，且含有大量的直流分量，这会导致电路失去交流调压作用。【学生】聆听、思考、理解、记忆2)电路的输出(I)电路输出电压为U=JLJsint)2d(t)=U12a-sin(2a+26)+(2)晶闸管电流为-巾噌卜侬-”罚=悬卜也箕严;(3)电路输出电流为l三2J【教师】提出问题，随机邀请学生回答对比单相交流调压电路带阻感性负载和带阻感性负载时，输出电压和晶闸管电流的区别。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答5.1.3三相交流调压电路单相交流调压电路主要应用于单相负载和中、小容量交流调压的场合，而在三相负载和大容量交流调压的场合，多采用三相交流调压电路。【教师】展示“三相交流调压电路的连接方式”图片(详见教材)，讲解新知三相交流调压电路常用的连接方式有三相四线星形连接、三对晶闸管反向并联连接、支路控制三角形连接、中性点控制三角形连接四种。【教师】讲述“点拨”的相关内容采用三对晶闸管反向并联连接的三相交流调压电路，其负载既可以按三角形连接，也可以按星形连接，相当于采用三相四线星形连接的三相交流调压电路。由于该电路中没有中性线，因此电路的每相电流必须和另一相电流构成回路，且应采用宽脉冲或双窄脉冲触发。【学生】聆听、思考、理解、记忆【教师】展示"三相四线星形连接”图片(详见教材)，讲解新知采用三相四线星形连接的三相交流调压电路可以看作3个单相交流调压电路的组合，电路中的晶闸管按照编号顺序依次导通，相邻编号晶闸管之间的触发脉冲间隔60oo为保证电路正常工作，要求三相电路中至少有两相开通才能构成通路，且其中一相为正向晶闸管开通，另一相为反向晶闸管开通，每相之间间隔1200工作。各相输出电流由于为正负对称的缺角正弦波，因此包含了大量的三次谐波电流，此时中性线电流为各相三次谐波电流值的代数和。1 .带电阻性负载当电路中接电阻性负载时，的移相范围为0°150°。当a=0。时，在相应的每相电压过零处给晶闸管施加触发脉冲，每个时刻都有三只晶闸管同时开通，此时三相正、反向电流都畅通，电路相当于一般的三相交流电路，无调压功能；当0°<a<60°时，相邻编号的三个晶闸管开通与两个晶闸管开通交替，每个晶闸管开通180o-a；当60o<a<90°时相邻编号的两个晶闸管开通每个晶闸管开通120°；当90o<CX<150。，相邻编号的两个晶闸管开通与无晶闸管开通交替，每个晶闸管开通300。-2a;当a>150。时，虽然电路中晶闸管有对应的触发脉冲，但此时晶闸管承受反向电压，因此晶闸管无法导通，电路无调压功能。【教师】讲述“点拨”的相关内容当a=90。时，电路中的三次谐波电流最大，中性线上的电流近似为额定相电流;当电路中的三相不平衡时，中性线上的电流更大，因此要求中性线有较大的横截面积。【学生】聆听、思考、理解、记忆【教师】展示“不同控制角下U相输出电压的工作波形”图片(详见教材)，以a=30。时电路的正半周工作波形为例进行分析(1)在03U区间，虽然uu>O,VTi承受正向电压，但触发脉冲还未到来，Uo=O【教师】提出问题，随机邀请学生回答参考03h区间的分析方法，分析其余区间的工作波形。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知(2)在3tI3上区间，VTi接收到触发脉冲后开通，VT5和VT6在正向电压的作用下保持导通，三相均有电流通过，Uo=UU.(3)-(6)详见教材。【教师】组织课堂讨论请结合上述方法，对a=120时U相输出电压的工作波形进行分析。【学生】聆听、思考、讨论、回答【教师】总结学生回答2 .带阻感性负载三相交流调压电路在接阻感性负载时与单相交流调压电路类似，电路中输出电压与电流存在相位差，i的波形滞后于u1.的波形，晶闸管保持导通，其导通角与控制角和负载阻抗角都有关系。例如，在该电路的典型应用晶闸管控制电抗器(thyristorcontrolledreactor,TCR)中，a的移相范围为90°180°,通过调节a可以连续调节通过TCR的电流，从而调节电路从电网中吸收的无功功率.【教师】提出问题，随机邀请学生回答单相交流调压电路与三相交流调压电路有哪些相同点？有哪些不同点?【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答【学生】聆听、思考、理解、记忆【教师】展示“单相交流调压电路测试电路”图片，讲解新知本任务主要对不同负载下的单相交流调压电路进行测试，测试电路如图5-1所示.其中，两个反向并联的晶闸管构成了单相交流调压电路的主电路；单相交流调压触发模块的G端与晶闸管门极相连，K端与晶闸管阴极相连。知识准备220S单相交流电源0电阻性负载阻感性负载单相交流调压触发模块GlKlG2K2图5-1单相交流调压电路测试电路【学生】聆听、思考、理解、记忆【教师】布置实训任务：测试交流调压电路。将全班学生以35人为一组进行分组【学生】各组选出组长并进行任务分工，准备任务实施所需的工具和器材，并补全表5-2（详见教材）【教师】指导学生以小组为单位，按照以下活动步骤，完成“测试交流调压电路”实训任务【教师】展示“单相交流调压电路测试电路”图片，指导学生选取相应的器材，按照图片连接电路【学生】选取相应的器材，对照图片连接电路1）测试带电阻性负载的单相交流调压电路接入电阻性负载,并按照图5-1所示连接试验电路。在确认电路连接无误后，将Rp调至最大阻值处，然后启动三相交流电源。随后通过调节单相交流调压触发模块来改变,并利用示波器观察和记录CX分别为30。、90°、120°时Uo的波形。任务实训通过对Uo波形的分析，回答相关问题（详见教材）。2）测试带阻感性负载的单相交流调压电路接入阻感性负载，并按照图5-1所示连接试验电路。在确认电路连接无误后，将Rp调至最大阻值处，然后启动电源。随后调节Rp使负载阻抗角巾为一定值，并利用示波器观察和记录a>.a=cx<巾三种情况下u。和io的波形.通过对u0和i。波形的分析，回答相关问题（详见教材）.【教师】讲述"点拨”的相关内容在测试带阻感性负载的单相交流调压电路时,需要调节负载阻抗角的大小其值为=arctan（LR）T三i17寸Rp的调节就可以改变负载阻抗角的大小。【学生】聆听、思考、理解、记忆【学生】分组、分工协作完成实训任务，各组展示任务完成情况，组长配合教师填写考核评价表（详见教材）【教师】巡回指导，根据学生的实际表现进行评价，填写考核评价表（详见教材）课堂小结【教师】简要总结本节课的要点一、AC/AC变换电路的分类1 .交流电力控制电路2 .变频电路二、单相交流调压电路1 .带电阻性负载2 .带阻感性负载三、三相交流调压电路1 .带电阻性负载2 .带阻感性负载【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业1 .完成课后综合测试的相关内容.2 .登录APP或其他学习平台查看相关知识触。【学生】完成课后任务教学反思